渗透跨学科概念的学科融合教学探索

王婷

摘要： 以“新冠病毒的自我检测与防护”为主题，以“分散系及其分類”为例，设置递进式问题驱动概念建构，整合利用化学、物理、生物等多学科知识融合教学，对真实情境问题进行多种形式的探究，自主建构“尺度”“模型”等跨学科概念，发展学生的核心素养。

关键词： 跨学科概念； 分散系及其分类； 尺度； 模型； 气溶胶

文章编号： 10056629（2023）05003505

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

新版高中化学课程标准提出，教师应重视跨学科内容主题的选择与组织，引导学生在更宽广的学科背景下认识物质及其变化规律，综合运用化学和其他学科的知识分析解决有关问题，发展学生的科学素养［1］。跨学科的教学内容包括跨学科知识与跨学科概念，跨学科概念是对理科知识共同性的高度归纳，为理解新知提供支持，促进概念整合和对科学本质的理解等［2］，是比跨学科知识更有助于发展学生核心素养的思维工具。本文以“分散系及其分类”为例，以“尺度”“模型”等跨学科概念［3］为引领，开展基于学科融合的概念教学探索。

1 跨学科内容分析

1.1 教学内容分析

“分散系及其分类”是高中化学人教版（2019年版）必修第一册第1章第1节第2课时内容。与旧教材相比，新教材删去了溶液、浊液和胶体三类分散系稳定性介绍、胶体的分离方法与聚沉等性质，着重于以物质分类为线索，建立关于胶体分类较为完整的知识体系，也让学生将常见的液体作为分散剂的认识拓展至更广泛概念的分散系认识［4］，凸显了新教材从微观粒子尺度和宏观性质结合的角度认识物质，逐步揭示各类变化的特征及规律，发展宏观辨识与微观探析等核心素养。丁达尔效应的教学价值不仅是检验胶体的关键手段，更是证明分散质粒子大小不同于溶液、浊液的重要宏观证据。但因丁达尔效应的微观机理需用物理光学原理解释，在实际教学过程中化学教师一般不深究，导致学生对丁达尔效应的本质原因理解不清。跨学科概念的综合运用不仅有助于学生理解胶体中粒子大小与其性质的关系，还能帮助学生构建“尺度”“因果关系”及“模型”等跨学科概念。

1.2 跨学科主题选择

胶体金是金的微粒介于1～100nm的特殊聚集状态，微粒尺度不同使其呈现丰富的颜色。胶体金层析法是目前检验新冠病毒的一种医学手段，应用胶体的吸附性使其能够与病毒抗原、抗体结合，应用胶体金特殊颜色使病毒抗原抗体可视化。新冠病毒气溶胶是胶体的种类之一。将上述涉及化学、物理、生物等学科内容的素材进行整合，以“新冠病毒的自我检测与防护”为主题，承载串联起相关知识的任务链。

2 学科融合的教学设计

学科融合的过程大大拓宽了知识的边界与学习范围，教师需要基于学生学情与认知水平设计合理科学的教学目标及教学活动。

2.1 教学目标

教学目标见表1。

2.2 设计思路

教学设计思路如图1所示。

3 教学实施过程

3.1 创设情境，提出问题

［情境引入］居家时如何知晓是否感染新冠病毒？

［教师］展示新冠抗原检测试剂盒，请大家观察检测试剂盒，鼓励提出疑问。

［学生疑惑］什么是“胶体金法”？抗原试剂盒如何使用？……

［视频展示］胶体金的制备。

［学生疑惑］胶体金为什么不是黄色，而是呈现多种颜色。

［教师过渡］胶体金的特殊性质源于“胶体”二字，我们通过实验感受一下什么是胶体。

3.2 探究问题1：为什么胶体金颜色多样

［分组实验］用激光笔分别照射CuSO4溶液、纯牛奶，然后在水中滴入2滴纯牛奶，激光笔照射扩散中的牛奶。

［学生汇报］描述3份液体中光线不同现象，并发现用激光笔照射水中扩散的纯牛奶，牛奶像流动的幕布对光线进行投射，形成断断续续的光路。

［教师］展示介绍光遇到不同微粒时传播规律的微课动画（见图2），提问为什么光线在上述三种液体中传播现象不一样？

［学生讨论汇报］CuSO4溶液中微粒很小，光直接透射；纯牛奶中微粒较大，光被反射；含少量牛奶的溶液中微粒介于中间，光散射形成光路。成果展示如图3所示。

［教师讲解］介绍分散系及胶体概念。

设计意图：运用物理学科“绘制光路图”的基本方法来解释光线照射分散系的现象差别，能帮助学生自主发现依据分散质粒子大小对分散系进行分类的依据，由此形成对溶液、浊液及胶体概念的科学界定，初步构建溶液、浊液与胶体分散系的微观模型。

［教师提问］回忆初中物理知识，物体不同颜色与物体反射或透过的色光有关。你认为是什么原因导致胶体金可以呈现多种颜色呢？

［学生提出猜想］胶体金的微粒大小不同。

［教师］提供胶体金颜色与微粒大小关系［5］，具体见表2。

［教师］已知金原子直径约为0.2nm，请大家画出胶体金微粒模型图。

［学生］绘制胶体微粒模型图，结果见图4。

［教师总结］当微粒处于特定范围，散射光波长位于可见光波范围内，微粒大小变化就会引起物质颜色变化。胶体金微粒是由更小的金原子聚集而成，不同的聚集程度产生了不同颜色的胶体金。

设计意图：胶体金不同颜色的原理探究是对胶粒大小影响光传播的概念更深层次的迁移。不同尺度胶体金微粒的存在事实证明胶粒不是单独粒子，而是更小微粒聚集体，加深对胶体是一种物质聚集状态的准确认识。

3.3 探究问题2：胶体金如何检测病毒

［学生演示］胶体金层析法检测新冠病毒抗原操作方法。

［教师展示］胶体金层析法检测新冠病毒抗原原理示意图［6］（见图5）。

［教师提问］检测线为什么是红色的？

［学生］胶体金聚集呈现的特征红色。

［教师］为什么当人感染新冠病毒时，胶体金通过检测线会聚集？

［学生讨论］因为抗体可以特异性识别抗原，病毒抗原先与COVID19金标抗体1结合，检测线上的COVID19抗体2再与病毒抗原结合，使含有胶体金的微粒聚集沉降。

［教师］胶体金不仅可与新冠病毒抗体结合，还可与病毒抗原等其他蛋白质结合，用于医学检验多种病毒，甚至验孕。依据以上信息猜想科学家会给分散质微粒大小为1～100nm的分散系命名为“胶体”，体现了它的什么特点？

［学生］粒子容易吸附其他微粒，具有较好的吸附性。

［教师］胶体外观看起来黏稠吗？

［学生］不，外观像溶液一样均一稳定，“胶”字指微观粒子具有较好吸附性的特点。

设计意图：胶体金层析法原理分析将概念的理解提升至综合应用层面，并从中认识到胶体吸附性是微观层面粒子的吸附性，避免概念受生活经验影响产生理解偏差。

3.4 探究问题3：如何制备胶体

［教师］如何通过实验方法制备胶体呢？

［学生活动］根据所给试剂（FeCl3饱和溶液、蒸馏水、稀NaOH溶液）设计并制备Fe（OH）3胶体，再依据教材实验11完成制备实验。

［引导评价］请从原料利用率与产品质量（分散质粒子均一度）的角度评价2套方案优劣。

［展示成果］略。

［交流评价］使用FeCl3溶液与极稀的NaOH溶液混合的方案简单，但制备出的胶体不多，主要是沉淀。教材方案注意事项较多，但能保证生成的主要是Fe（OH）3胶体而非沉淀。

［引导总结］制备胶体实验的关键在于通过控制温度、反应物浓度等方式使制得胶体粒子大小均一。

设计意图：通过“自主实验典范实验对比反思”的探究过程激发学生科学探究精神，并感受物质世界的复杂性，发现不同分散系之间的联系与转化规律，加深对分散系的认识层次。

3.5 探究问题4：如何防范新冠病毒气溶胶

［教师提问］新冠病毒直径约为60～140nm，含有新冠病毒的空气属于胶体吗？

［学生］如果病毒直径在60～100nm之间则属于胶体。

［教师］胶体的界定只与分散质粒子的大小有关，与它的物质成分、状态都没有关系。依据分散剂的状态，将胶体分为液溶胶、气溶胶与固溶胶。

［学生活动］将含新冠病毒的空气、有色玻璃、豆浆、烟水晶、河水、雾依据分散剂状态进行分类。

［教师提问］新冠病毒在空气中形成气溶胶，可在空气中停留较长时间。我们如何自我防护？

［学生］佩戴口罩、喷洒酒精……

［教师追问］某同学佩戴口罩走在路上，依然闻到了路边桂花的香味。他的口罩能有效阻隔病毒吗？

［学生］可以，因为病毒由蛋白质与RNA等许多分子构成，比桂花香味的分子大得多。口罩的孔径可以使桂花香气分子透过，但不能使病毒气溶胶透过。

［教师］新冠病毒并不可怕，运用知识进行科学防护、检测与治疗，我们依然可以享受美好的生活！

设计意图：气溶胶知识的介绍丰富了胶体的经验认识与概念应用范围，在对胶体进行分类活动中加深对胶体概念的准确界定与理解，认识到尺度效应是自然界普遍规律，进一步完善胶体概念模型。

4 教学效果与反思

课堂观察发现，在真实问题驱动下，学生能够综合物理光学理论、宏观现象与金微粒粒径等信息绘制出不同分散系中光路图，反映出他们具备将光传播模型与分散系微观模型有效结合的模型认知能力。在问题探究中，学生不断运用尺度比较与变化的思维工具进行宏微结合的分析，逐渐构建起微粒大小比较、微粒大小对性质的影响、微粒大小变化的尺度概念理论框架。作业结果体现学生能够将“胶体”概念迁移至河水、纳米材料等课堂未涉及的物质分析中，能运用实验优化思维对胶体制备实验操作进行深刻的逻辑分析，教学效果较好。跨学科概念的融入助推学生理解学科概念本质，促使高阶思维与综合素养的形成。

当然，打破学科壁垒、巧妙整合跨學科资源考验着教师的教育智慧与学科综合素养。社会资源中的跨学科素材往往涉及面较广，在学科融合过程中教师不能贪多贪全盲目拓展，要基于学生已有知识基础，把准学科横向联结的广度与纵向延伸的深度，挖掘跨学科教学的知识切入点与生长点。教学设计前首先通过翻阅物理、生物初中教材与咨询相关专业教师，明确了学生已有的跨学科概念与待提供的信息资源。胶体性质丰富，应用广泛，本节课只选取吸附性作为典型性质进行任务探究，一是有助于对胶体概念本质的理解，并为后续学习净水剂的性质应用奠基；二是以吸附性为前概念，依据尺度变化视角分析粒子重量，学生能自主理解聚沉性质的产生，形成知识生长逻辑线。

本节课最难能可贵的是学生不仅积极思考教师提出的问题，还能够自主生成许多有价值的问题。比如能不能用滤纸将自制的Fe（OH）3中沉淀与胶体粒子过滤分离、胶体金层析法为什么有2条红线……问题背后联结的是许多课堂上来不及触及的知识，面对不同的生成性问题教师可依据本课目标与学情选择即时解答，或设置悬疑鼓励学生课后探究。有限的课堂传授只有激发出学生无限的学习渴望，才能实现授人以渔的教育功能。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2018： 71.

［2］王维臻， 张荣慧， 钟晓媛. 将跨学科概念融入化学教材——美国教材的做法［J］. 化学教学， 2021， （10）： 91～97.

［3］潘洪建， 李君， 许应华等. 科学中的横切概念： 蕴涵、进阶及教学策略［J］. 当代教育评论， 2020， （10）： 166.

［4］刘金翠. 不同版本教材相同内容的差异分析与教学处理［J］. 化学教与学， 2021， （8）： 77～81.

［5］胶体金. 360百科［EB/OL］. （20200628）. https：//upimg.baike.so.com/doc/5661554-5874209.html.

［6］刘晓飞. “单克隆抗体的应用”一节的教学设计［J］. 生物学教学， 2022， 47（10）： 46～49.